（环境科学专业论文）海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究.pdf

海洋环境准实时卫星监铡信息系统及应用研究 n e a rr e a it i m es a t e iii t em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m o fg i o b a io c e a ne n v ir o n m e n ta n da p p ii c a t i o n sr e s e a r c h a b s t r a c t t h et e c h n i c a io fs a t e l l i t er e m o t es e n s i n gi sv e r yi m p o r t a n tf o ru st o u n d e r s t a n dt h ep h e n o m e n o no fs e a w a t e rm o v e m e n ta n da i r - s e ai n t e r a c t i o n a n di tp r o m o t et h ei e v e io fs c i e n c er e s e a r c ho no c e a n 1 t st h ef i r s tt i m et h a tw e c a no b s e r v et h eg l o b a ls e as u r f a c et a m p e r a t u r ej na 1 1w e a t h e rc o n d i t i o n sa n d r a i n r a t ei nh i g hr e s o l u t i o ni nn o v e m b e r19 9 7w h e nt h et r o p i c a ir a i n f a m e a s u r i n gm i s s i o n ( t r m m ) s p a c e c r a f tw i t ht m if r r m mm i c r o w a v ei m a g e r ) w a si a u n c h e d t h er e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yo fa d v a n c e dm i c r o w a v e s c a n n i n gr a d i o m e t e r s ( a m s r lw a sl a u n c h e do na m e r i c a na n dj a p a n e s e s p a c e c r a f ti n2 0 0 2e n h a n c e dt h e s eo b s e r v a t i o na b i l i t y t h ea p p l i c a t i o no f t h e s en e wt y p es e n s o rt e c h n i c a ii n c l u d i n gt h es s m ，i ( s p e c i a ls e n s o r m i c r o w a v e i m a g e r , n a s a sp a t h f i n d e rp r o g r a m ) t h eq s c p 通( t h em i c r o w a v e s c a t t e r o m e t e rn a m e ds e a w i n d s ) w h i c hw a si a u n c h e do nt h eq u i k s c a t s a t e i l i t ej nj u n e1 9 9 9 t h o s ed a t as e t so fa b o v e m e n t i o n e dt m l a m s r e ( t h e a d v a n c e dm i c r o w a v es c a n n i n gr a d i o m e t e r e a c ho b s e r v i n gs y s t e m ) q s c p 汀a n ds s m ，lt a k en e wo p p o r t u n i t yt ot h eo b s e r v a t i o no no c e a n e n v i r o n m e n ta n dr e s e a r c ho nt h ea i r - s e ai n t e 陷c t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v e - m e n t i o n e ds c i e n c er e s e a r c ho p p o d u n i t yt a k e nb y t h en e ws a t e i l i t er e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y , t h i st h e s i sb u i l dan e a rr e a it i m e s a t e i l i t em o n i t o r i n gi n t o r m a t i o ns y s t e mo fg l o b a lo c e a ne n v i r o n m e n tw h i c hi s b a s e do nt h ef o i l o w i n gt h r e ei m p o r t a n te l e m e n t sp r o d u c t i o n ：s e as u r f a c e t e m p e r a t u r e s e as u r f a c ew i n da n dr a i nr a t eu s i n gf o u rk i n d so fs a t e l l i t eo c e a n o b s e r v a t i o nd a t a ( t m l a m s r e 。q s c a t , s s m i ) o n 价eb a s eo ft h e i n f o r m a t i o ns y s t e mt e c h n o l o g y , i tr e a l i z e dd a t ap r o c e s se 俪c i e n t l ya n dv i s u a i p r e s e n t a t i o no ft h es a t e i l i t ed a t as e t u s i n gi d la n dd y n a m i cw e bt e c h n o l o g yi t r e a l i z e ds a t e l l i t ed a t ep r o d u c t 。sd y n a m i cv i s u a l i z e dw e bb r o w s e i t sa n e 饷c i e n ti n s t r u m e n tt o q u e r y , s e a r c h a n dv i s u a l i z es a t e i l i t eo b s e r v e d i n f o r m a t i o n b a s e do nt h e s ed a t ap r o d u c tt h et h e s i sd i s c u s s e do nt h ea i r - s e a i n t e 陷c t i o n si n c l u d i n gt h et e m p e r a t u r ef r o n ti nt h ey e l l o ws e ai 几w i n t e r , t h es e a s u r f a c ei o wt e m p e r a t u r ef o r m e db yt y p h o o na n dt h ef r o n ti nt h es o u t h e r n o c e a n t h es t u d i e si n d i c a t et h a tt h e ya r ea l lp a do ft h ea i r - s e ac o u p l i n g p r o c e s sb e t w e e nt h es s ta n da t m o s p h e r eb o f f o mb o u n d a wl a v e lt h es s t a n ds e as u r f a c ew i n ds p e e da r er e l a t e di np o s i t i v ec o r r e l a t i o n a n dj t sd i f f e r e n t t ot h er e l a t e di nn e g a t i v ec o r r e l a t i o nd e c i d e db yt h eu s u a iv a p o r - w i n df e e d b a c k m e c h a n i s m t h eo c e a n i ce n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nt h er a m o t e s e n s i n gd a t as e td i s c u s s e di nt h i st h e s i sw o u l de n h a n c et h ea p p l i c a t i o no f 2 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 t h e s ef o u rk i n d so fs a t e l l i t eo b s e r v a t i o no nt h eo c e a ns c i e n c er e s e a r c hw o r k t h es t u d i e so na i r - s e ai n t e r a c t i o n sc o u l de n h a n c eo u ru n d e r s t a n d i n gt ot h i s n e w t y p eo fo c e a np h e n o m e n o n k e y w o r d s ：r e m o t es e n s i n g ， o c e a ne n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g i n f o r m a t i o ns y s t e m 。a i r - s e ai n t e r a c t i o n ，t e m p e r a t u r ef r o n t 3 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研冗成果，也不包含未获得 主里篷注太堂 注；堑遗直墓丝煎要挂塑童盟 的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的| 司志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：定走 签字同期：舻彳月fr 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴激储鹕3 效 签字r 期：加7 年占月f i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：国家海洋局第一海洋研究所 通讯地址：青岛市高科园仙霞岭路6 号 导师签字： 签字开期：歹t 年舌月同 电话：0 5 3 2 8 8 9 6 7 4 1 2 邮编：2 6 6 0 6 1 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 第一章绪论 1 1 海洋观测及其重要性 随着人类社会的发展，尤其是工业化以来，人类活动正逐渐对地球环境产生 越来越明显的影响。联合国政府间气候变化委员会( i p c c ) 2 0 0 7 年发布的气候 变化评估报告指出，越来越多的证据表明人类活动所带来的温室气体排放可能造 成了全球气候的变暖趋势。面对全球气候变暖的压力，世界各国都在加大对于气 候变化的研究力度，试图阐明气候自然变化的机制、规律以及人类活动对于气候 自然变率的影响，以制定科学的应对策略。 海洋和大气是地球气候系统最重要的组成部分。海洋占全球表面积的7 0 以上，由于它具有比大气大得多的密度和热惯性，气候低频变化的记忆主要存在 于海洋当中，因此认识海洋变化在气候系统中的作用具有重要科学价值。 海洋由于具有广阔的空间尺度和缓慢的时间尺度，要实现对海洋变化规律的 系统观测是非常困难的，这在很大程度上也限制了海洋科学的发展。从海洋观测 方式来看，主要包括：船只走航观测、定点浮标或潜标观测、自主运动海洋设备 观测和遥感观测共4 大类观测手段，这4 类观测方式在推动海洋科学史上都发 挥过重要作用，其简要评述如下： 船只走航观测 早期的海洋观测主要借助于船只的走航方式，它奠定了海洋科学的基础，但 是该方式投入巨大，全球大洋环流试验( w o d do c e a nc i r c u l a t i o ne x p r i m e n t ， 简记w o c e ) 是该观测方式的巅峰( 1 9 9 0 1 9 9 8 ) ，通过世界各国的合作完成了 对全球大洋的一次较为系统的观测。但是，船只走航观测仅能够在特定断面实现， 空间覆盖有限，也无法长期连续观测，主要在研究具体海洋现象或针对区域海洋 开展。 定点浮标或潜标观测 定点浮标，潜标观测是在海洋中实现定点、长期连续观测的一种方式，该观 测方式主要受到热带海洋一大气相互作用研究的推动而发展起来，最具代表性的 是在热带海洋和全球大气( t r o p i c a lo c e a na n dg i o b a la t m o s p h e r e ，简记 1 _ o g a ) 国际计划期间建立的覆盖热带太平洋的t a o f r r i t o n 浮标阵列( 图1 1 ) 和覆盖热带大西洋的p i r a t a 浮标阵列。定点浮标膳标观测网目前仍然是大洋 气候变化监测的主要组成部分，是获得定点三维海洋结构观测的主要手段。除了 热带太平洋和大西洋的浮标监测网之外，现在气候变化既可预测性( c l i m a t e v a r i a b i l i t y a n dp r e d i c t i o n ，简记c l i v a r ) 国际计划正在逐步建立覆盖热带印度 洋的i n d o o s 浮标监测网( 图1 2 ) 。定点浮标，潜标监测手段的优点是定点海洋 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 垂直剖面的时间连续观测，不足之处是空间覆盖范围有限。 图1 1 ：覆盖热带太平洋的1 a o 门r r i t o n 浮标阵列( 1 9 8 5 - 1 9 9 4 期间建成) 图1 2 ：正在建设中的i n d o o s 浮标监测网 自主运动海洋设备观测 自主运动海洋设备观测主要是调和时间连续观测和空间有效覆盖两者之间 的矛盾，包括a r g o 浮标和表面漂流浮标两大类。 a r g o 浮标是海洋观测技术领域的重要进步，其概念类似于大气科学中的探 空气球，通过在全球海洋( 按照3 。x 3 。的空间分辨率) 中投放3 0 0 0 个左右的a r g o 浮标，每个a r g o 浮标通常以10 天的工作频率完成0 - 2 0 0 0 米海洋垂直剖面的观 测，由此获得对全球海洋三维温度盐度结构的准实时观测。a r g o 国际计划自 2 0 0 0 年启动以来已经有了快速的发展，目前全球海洋中已有超过2 8 0 0 个a r g o 在工作( 图1 3 ) ，接近了3 0 0 0 个的预定目标，并且完成了其他观测手段所无法 比拟的海洋剖面观测数量( 图1 4 ) 。 卫星跟踪海面漂流浮标是另外一类重要的自主运动海洋观测设备，主要测量 s s t 和表层海流。按照5 。x 5 。的空间分辨率，全球计划投放1 2 5 0 个漂流浮标， 目前已经有1 2 6 4 个漂流浮标( 图1 5 ) ，超过了预定目标。 自主运动海洋观测设备的快速发展基本实现了全球海洋覆盖，并能够以较高 的时间采样频率实现对海洋的三维观测，对于我们认识大尺度海洋过程提供了难 得的资料。 2 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 图1 3 ：目前全球海洋中a r g o 浮标的分布 图1 4 ：目前全球海洋中的a r g o 剖面观测密度分布 图1 5 ：目前全球海洋中的漂流浮标的分布 卫星海洋观测 卫星海洋观测是2 0 世纪发展起来的先进海洋观测手段，它具有全球覆盖和 高时间频率采样的优势。 从研究海洋大气相互作用的角度，最重要的海洋动力要素观测卫星包括测 量海面风场的微波散射计( 其代表性的卫星包括欧空局的e r s 系列和近期的快 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 鸟卫星上面的s e a w i n d s ) 、测量s s t 的红外辐射计( 代表性的有n o a a 系列) 和最新的微波辐射计( 代表性的有t m i 和a m s r e ) 、测量降水的卫星( 代表性 的有s s m i 、t m i 和a m s r - e ) 和测量海面高度的微波高度计( 代表性的有t ，p 和j a n s o n 系列) 。 1 2 微波辐射计带来的海- 气相互作用研究最新进展 从研究海一气相互作用角度来看，在海面风场、s s t 和降水三个要素的观测 水平上，目前卫星观测进入了一个新的阶段，主要表现为t m i 和a m s r e 首次 提供了全天候的s s t 观测，q s c a t 提供了高精度的海面风场观测，t m i 、 a m s r e 和s s m ，i 提供了降水的高精度观测。 传统的利用红外辐射计( 以n o a a 的a v h r r 为代表) 观测，由于其工作 频段为红外波段，电磁波受到云层的强烈吸收，不能够观测云层之下的s s t 。 这一局限性给s s t 的卫星观测带来了很大的障碍，尤其是在热带和中纬度地区 严重限制了我们对于s s t 的观测能力。 1 9 9 7 年发射成功的低轨低倾角t r m m 卫星( 由美国n a s a 和日本n a s d a 共同研制) 搭载了微波成像仪t m i ，是第一个具备穿透云层精确测量s s t 能力 的卫星传感器，w e n 乜等【9 1 2 0 0 0 年在s c i e n c e 上面报道了t m i 所获得的全天候 s s t 观测所揭示的新的海气相互作用现象。2 0 0 2 年搭载的n a s a 对地观测卫 星a q u a 发射升空a m s r e 微波辐射计更进一步增强了全天候s s t 观测的能力， 对于海气相互作用研究和天气预报产生重要影响【5 研。 t m l 、a m s r e 、q s c a t 和s s m ，i 这4 类卫星观测资料为海- 气相互作用研 究和业务化天气和海洋预报提供了不可替代的观测资料来源，主要推动了以下两 方面的科学研究： 1 。2 1海洋温度锋面附近的海气耦合过程 在热带海区，海- 气相互作用过程非常强烈。过去大尺度海- 气耦合研究揭示 了包括日n i f i o 在内一系列现象，而且s s t 和海面风速之间表现为负相关，即 高的s s t 对应着低的海面风速，这种关系体现了蒸发一风反馈机制，即高风速所 造成的强蒸发使海面通过潜热释放而降温，这种s s t 和风速的负相关是普遍存 在的一种现象。但是，t m i 所观测到的热带不稳定波附近的海气耦合特征却显 示了s s t 和风速的正相关，即如图1 6 所显示低的s s t 对应着弱的海面风。 4 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 图1 6 ：t m i 观测的1 9 9 8 年1 0 月第一周的平均赤道太平洋s s t ( 上) 和q s c a t 观测的同期海面风速( 下) 【9 0 】 上述存在于海洋锋面附近的独特海气耦合特征迅速引起了广泛的科学关注 5 3 - 斟9 4 1 。c h e l t o n 等( 2 0 0 4 ) i s 3 对全球主要s s t 锋面附近的海气耦合给出了比 较全面地分析，指出这主要是s s t 和大气底边界层的相互作用，在高温海面上 大气底边界层的稳定度降低，大气垂直动量交换增加从而使得低空风速增大，也 有此造成了海面风场散度与沿风向的s s t 梯度、海面风场旋度与垂直风向的 s s t 梯度之间有很好的相关性( 图1 7 、1 8 ) 图1 7 ；s s t 锋面对海面风场影响的示意图口川 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 詈7 s o “ i e r n 。c ” t r o n c o lp a c i n g “i is t r i ，一 彳 ， 。 p 广 i 毒。 一 i。 一 ” i ， 。 畚- 1， l 18 8 l ， o1 ；1 to 0 0 ；r d5 s tg , = c l e n t ( 0l e o 1 0 0k m 。， 。 ： t 。 卢 t 。 。 “i ，一：如1 一， 7 - 硼 t f r ，州伸”j 毒 。t 。1 7 。 0 5 7 ，- 05 7 一! 3 一口 一10 c r o s s w i r ds s tg r a r ；, i e n tr c 砷，1 0 0 n 图1 8 ：南大洋，赤道太平洋、黑潮和湾流附近的s s t 锋面海气相互作用，上图为海面风 场散度与沿风向的s s t 梯度的相关，下图是海面风场旋度与垂直风向的s s t 梯度的相关【5 3 l 1 2 2 台风过程中的海气相互作用 传统的红外辐射计s s t 观测( 如a v h r r ) 受到云层的严重影响，无法观 测到云层以下的s s t 分布。这种技术上的缺陷对于研究台风期间的海气相互作 用带来了极大的困难，由于受到台风云团的影响，我们无法确切知道云团下面的 海温，限制了我们对于强海况下海气耦合过程和台风预报的能力。 以1 9 9 8 年1 0 月份发生在大西洋的b o n n i e 台风为例( 图1 9 ) ，t m i 观测的 s s t 清楚地揭示了台风海面s s t 显著降低的现象，但是该现象在a v h r r 资料 中无法分辨，在业务化天气预报中使用的逐周r e y n o l d ss s t 资料中也无法分 辨。鉴于台风的主要能量来自于海面水汽蒸发在上升过程中冷却凝结所释放的巨 大潜热，可以预期s s t 的显著降低对于台风强度的变化有着重要的影响。采用 r e y n o l d ss s t 资料作为海面边界条件的台风预报无法考虑这种s s t 降低所造 成的影响，因此使得目前的台风强度和路径预测还有很大的不确定性。t m i 和 a m s r e 资料所提供的s s t 精确观测正在被欧洲中期天气预报中心( e c m w f ) 和美国海洋环境预报中心( n c e p ) 在业务化台风预报中应用，这将会显著改进 我们对于台风的预报水平。 6 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 图1 9 ：t m i 、a v h r r 和r e y n o l d s 三类s 资料所揭示的1 9 9 8 年8 月2 4 - 6 日b o n n i e 台风 期间s s t 分布【9 0 1 1 3 本论文的主要工作内容 鉴于t m i 、a m s r e 、q s c a t 和s s m i 这4 类卫星观测资料为海气相互作 用研究和业务化天气和海洋预报提供了不可替代的观测资料来源，本论文开展了 两方面的工作，即： 建立包含t m i 、a m s r e 、q s c a t 和s s m i 这4 类卫星观测资料的信 息系统： 应用t m i 、a m s r e 、q s c 卢汀和s s m ，i 这4 类卫星观测资料开展海温 锋面附近的海气相互作用研究。 1 3 1 论文工作的科学价值 t m i 、a m s r e 、q s c a t 都是近年来投入业务化运行的新型卫星传感器， 它们分别在1 9 9 7 年，2 0 0 2 年和1 9 9 9 年升空，是目前观测s s t 、海面风场和 降水精度最高的卫星传感器，s s m i 有自1 9 8 7 年以来的连续降水观测，因此这 四类卫星观测资料对于研究海气相互作用具有重要的科学价值。 目前，上述四类卫星资料在中国近海海洋环境监测和海一气相互作用研究中 7 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 的应用尚不广泛，主要表现在两个方面： 没有针对上述4 类卫星资料的一个业务化处理系统，从事管理的用户不 能够很方便地根据其需求得到相应的资料产品，从事科学研究的用户缺 乏一个方便的资料处理、可视化支持系统，限制了这些资料的广泛应用； 没有利用t m l 、a m s r e 和q s c a t 资料很好地分析中国海或我国关心 海域的锋面过程海一气相互用过程，尤其是我国黄，东海冬季的温度锋面 ( 图1 1 0 ) 、南海台风过程中的海- 气耦合过程( 图1 1 1 、1 1 2 ) 以及我 国南极科考在南大洋锋面的海气耦合研究。 图1 1 0 ：基于t m i 资料的黄一东海冬季( 2 月) 温度平均分布，温度锋面发育明显 图1 1 1 ；2 0 0 6 年超强( 1 6 级) 台风“象神”( x a n g s a n e ) 的路径和1 0 月1 日在越南登 陆后在海南岛东南方海域造成的大范围海面强低温 8 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 图1 1 2 ；q s c a t 观测的2 0 0 6 年1 0 月1 7 日平均海面风场的分布( 左图，颜色代表风速 的大小，箭头代表风向) ，t m i 观测的2 0 0 6 年1 0 月1 - 7 日平均s s t 的分布，注意：红色 箭头代表s s t 和风速的正相关，蓝色箭头代表s s t 和风速的负相关 图1 1 3 ：基于a m s r e 的s s t 观测计算的南大洋温度锋面( 颜色代表温度梯度的大小，实 线是温度的等值线，虚线表示我国南极科考船的路线) 针对上述问题，本论文首先基于数据库和可视化技术建立了包含t m l 、 a m s r e 、q s c a t 和s s m ，i 这4 类重要卫星资料的海洋环境信息系统，该系统 主要实现了以下功能： 自动从n a s a 网站下载4 类卫星资料； 基于w e b 的数据、文件检索、查询、可视化显示和数据按照指定格式 ( 文本、二进制和n e t c d f 格式) 导出； 为用户提供逐日、三天平均、周平均和月平均的资料产品； 为用户提供气候平均态和距平等应用产品； 在信息系统开发的基础上，本论文进一步开展了温度锋面附近海气相互作 用的研究，主要针对三个重要现象，即： 一 黄东海冬季的温度锋面； 9 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 南海2 0 0 6 年超强台风“象神”所造成的低温海面； 南大洋锋面： 上述三个现象的研究也充分说明了微波辐射计观测的s s t 资料为我们认识 新的海洋现象提供了有利的支持。 1 3 2 信息系统开发中的关键技术。 本论文所开发的海洋环境遥感监测信息系统主要面向业务化应用，旨在为用 户提供方便、灵活的卫星资料使用工具。在该系统的开发中，关键的技术主要包 括以下几个方面： 卫星资料的自动下载技术 本论文使用j a v a 语言开发从国外f t p 服务器自动更新、下载卫星资料的资 料下载程序，通过下载参数脚本文件设定下载参数( 卫星类型、数据日期等) ， 定时器程序按照设定的周期触发下载检测程序，检测满足下载条件后，调用f t p 下载程序来完成数据的下载功能，完成数据下载后，由下载控制程序触发定时器 和更新下载参数配置文件。 基于i d l 语言的数据可视化技术 数据可视化( d a t av i s u a l i z a t i o n ) 技术指的是运用计算机图形学和图像处理 技术，将数据换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法 和技术。一般说来，科学计算可视化是指空间数据场的可视化，显示的对象涉及 标量、矢量及张量等不同类别的空间数据，研究的重点放在如何真实、快速地显 示三维数据场。 本论文采用i d l 语言( i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e ) 进行数据可视化功能的 开发。i d l 是美国r s i 公司( r e s e a m hs y s t e mi n c ) 的一个面向矩阵、跨平台 的用于数据分析、数据可视化及图像分析的第4 代软件开发语言，集成了大量用 于数据分析的数学工具以及基于o p e ng l 的数据可视化工具和图像分析工具。 i d l 不仅可以用于最终用户，更是一个强有力的软件开发平台，既支持传统的面 向过程开发技术，也支持最新的面向对象开发技术。i d l 提供了大量的数据可视 化工具，可以方便地实现二维数据绘图及等值线绘图、三维数据曲面绘图、多维 数据实体显示、图像显示及动画显示；支持基于硬件加速的o p e ng l 图形库； 支持多种数据及图形格式的输入输出，包括b m p 、g i f 、j p e g 等图形格式；支 持纯文本和二进制等数据格式；支持c d f 、h d f 、n e t c d f 等科学数据格式。 本论文之所以采用i d l 作为可视化的开发预言，主要是考虑到i d l 的主要 用户涵盖了n a s a 、e s a 、n o a a 等主要遥感和海洋机构，已经广泛应用到海洋 学、气象学、空间物理等地球科学的各个研究领域。如n a s a 使用i d l 开发的 海洋遥感数据处理系统s e a d a s 软件，n o a a 使用i d l 实现s o s 项目中复杂 l o 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 数据的可视化。 基于w e b 的动态信息发布技术 信息系统的基本信息发布使用超文本标记语言( h t m l ) 。 信息系统的静态信息发布功能模块使用j a v a s c r i p t 脚本语言开发。 j a v a s c r i p t 脚本语言具有与h t m l 超文本标记语言、j a v a 脚本语言( j a v a 小 程序) 一起实现在w e b 页面中链接多个对象，与w e b 客户交互作用的能力，从 而可以开发客户端的应用程序，它是通过嵌入或调入在标准的h t m l 语言中实 现的。 信息系统的动态信息发布功能模块使用i o n ( i d lo l lt h en e t ) 的i o ns c r i p t 开发。l o n 能在网络环境下运行i d l 驱动的应用程序，使网络用户可以访问i d l 可视化和分析。i o ns c r i p t 是一个能够在网络上发布i d l 可视化、分析和交互式 应用程序的强大的工具，是一种非常有效的脚本语言。i o ns c r i p t 通过类似于 h t m l 的标签将i d l 可视化和数据嵌入到网页中。它有大量的变量、事件和流控 制标签，可以建立强大的交互式网络应用程序。i o ns c r i p t 可以与其他基于w e b 的技术，如j a v a s c r i p t 、a c t i v e x 和数据库应用程序整合在一个网页中。在卫星 数据动态可视化页面中采用了i o ns c r i p t ，在页面中实现两种不同的i d l 动态可 视化图像结果的显示和动态交互。其中左侧图像为当前卫星、当前日期的全部环 境要素图像缩略显示，该图像中的矩形区域选框的中心点位置是由用户鼠标单击 来确定的。右侧图像为左侧图像中矩形选框区域的放大显示。 图1 1 4 ：基于i o n 的动态可视化页面 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 1 3 3 论文工作的主要技术路线 本论文工作主要包含卫星遥感海洋环境监测信息系统建设和卫星数据产品 应用研究两大部分。 上述目标的实现主要遵循以下的技术路线，即： 1 、通过需求分析，确定主要的卫星资料源 由于本工作侧重海洋动力环境监测和海气相互作用研究，因此选取了4 类 传感器，包括：t m i 、a m s r e 、q s c a t 和s s m ，l a 选取t m i 、a m s r e 的主要原因是： t m i 、a m s r e 与传统的红外辐射计相比有着巨大的技术优势，可以穿 透云层实现全天候的s s t 观测，也具备高精度观测降水的能力，这一 新技术的进步也带来了海洋科学的新进展； 中国近海云团活动频繁，传统的红外辐射计难以完成s s t 观测的任务； t m i 、a m s r e 是比较新的卫星传感器，其资料应用在国内还不广泛， 尚未在海洋环境监测和海洋科学研究中发挥其应有的价值； 选取q s c a t 资料的原因是： 海面风场和s s t 场是海气相互作用研究和海洋环境监测所必需考虑得 最重要的两个物理参数； q s c a t 提供了目前最高精度和最好时、空分辨率的海面风场遥感观测； 选取s s m ，i 资料的原因是： s s m ，i 提供了自1 9 8 7 年以来的连续降水观测； 降水是台风和热带海一气相互作用中的重要物理过程。 2 、开展基于u 札的信息系统框架分析和建模 统一建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是软件开发的标准建模 语言，用来对软件系统进行描述、构造、可视化和文档编制的一种语言，为软件 开发的整个过程( 从分析设计到编码) 提供了一个完整的技术解决方案。 3 、基于w e b 的可视化信息系统建设 以i d l 语言为主，开发具有数据自动下载、处理、可视化查询、导出等功能 的业务化信息系统，结合动态网页开发技术开发w e b 系统。 完成数据收集、数据分析处理、生成监测数据和图像产品、应用开发和w e b 发布各个模块的功能，以及他们之间的协同工作问题。使系统能够自动收集遥感 数据，并能自动处理生成各种海洋环境监测和应用的图像和数值产品，实现自动 业务化运行。 4 、信息系统的产品在海一气相互作用研究中的应用 作为信息系统的产品应用，本论文针对一类非常独特的海洋锋面海气耦合 现象进行了研究，包括：黄东海冬季的锋面、南海2 0 0 6 年超强台风“象神”所 1 2 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 造成的大范围海面低温和南大洋锋面。该研究一方面说明了本信息系统对海洋科 学的支撑作用，也大大增进了我们对于海洋锋面附近的独特海气相互作用过程 的认识。 上述技术路线可以用一个框架图来表示，参见图1 1 5 。 卫星数据 现有系统 处理、分析 模型分析 上j r 确定数据来源问题总结 上 士 海洋环境准实时卫星监测信息系统结构分析 数据数据 可视 核心 动态 动态 可视 下载处理化控制查询 化 j r 系统分析叫 系统分析 卜 业务分析 jl l 1 1 目妇洼瑶i 出、 数据采集髓 _ 卫曩蒹磬 扩 数据处理问题 1 l | 蔫h 塑鍪 一妣制l 0 i 数据产品j一发布信息集成丰l 可视化产品i 上 动态网页技术信息苗装磊视化 动态可视化技术 i 应用研究分析 上 ( 总结 ) 图1 1 5 ：本论文工作的主要技术路线图 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 1 3 4 论文结构 根据上述的主要研究内容，本论文的写作框架如下： 第一章绪论介绍论文选题背景、研究意义，相关技术和研究的国内外 发展现状、存在的问题，并对论文所做研究的主要内容、技术思路及文章框架结 构做了简要介绍。 第二章基于u m l 的海洋环境卫星监测信息系统框架分析对本文采用 的面向对象的软件思想和u m l 技术进行分析，找出各项技术与本论题的结合点； 结合海洋研究工作的实际需求，应用相关技术理论、方法提出了海洋环境卫星遥 感监测系统的框架结构和建设模式。 第三章海洋环境卫星观测数据分析及处理技术介绍了海洋卫星遥感系 统的工作原理，主要的海洋观测卫星使用的传感器和资料的反演，重点讨论了本 文中使用的四类卫星数据的数据处理理论、方法，常用的海洋数据格式和处理工 具、研究和应用产品的制作及其在海洋研究中的应用。 第四章准实时卫星监测信息系统及关键技术介绍了海洋环境遥感监测 数据及产品的信息发布系统建设中使用的各项技术和系统实现情况。该系统根据 不同的遥感卫星来源和海洋研究对象，划分和组合监测信息；根据不同的产品需 求，动态制作特定的数据产品。重点分析了准实时监测系统的体系结构，构建了 自动下我数据、处理数据、可视化产品生成、自动更新发布信息的一体化业务流 程，实现了准实时信息发布系统。 第五章卫星遥感监测信息系统产品应用研究利用t m l 、a m s r - e 、 q s c 芦汀资料研究了三种海洋锋面现象所包含的海气相互作用过程，包括：黄一 东海冬季的锋面、南海2 0 0 6 年超强台风“象神”所造成的大范围海面低温和南 大洋锋面。 第六章总结和展望总结全文工作，指出有待进一步研究的问题。 1 4 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 第二章基于u m l 的海洋环境卫星监测信息系统框架分析 2 1基于u m l 的软件分析与设计 统一建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是世界范围内l t 工业界 的软件开发标准建模语言，是用来对软件密集系统进行描述、构造、可视化和文 档编制的一种语言。软件工程领域在1 9 9 5 年至1 9 9 7 年取得了前所未有的进展， 其成果超过软件工程领域过去1 5 年来的成就总和。其中最重要的、具有划时代 重大意义的成果之一就是统一建模语言的出现。从第一个u m l 语言标准1 0 于 1 9 9 7 年推出以来，软件产业界支持u m l 的各种工具和平台也被迅速推出，u m l 及其平台已被广泛应用于软件开发的各个阶段，包括分析、设计、测试、实现、 配置和维护过程中。u m l 已由国际对象管理组织( o m g ) 标准化为软件建模的 统一语言，因此在工业界、学术界已被广泛承认与采用。在世界范围内，u m l 是面向对象技术领域内占主导地位的标准建模语言。 2 1 1 软件开发及u m l 语言的发展 1 、软件工程的发展过程 1 9 6 8 年，为解决当时的软件危机，软件工程隆重登场。3 5 年来，软件工程 取得了很大进步，但仍然存在很多问题，有人甚至认为软件危机还远没有解决。 造成这种情况的原因多种多样。软件不同于硬件的制造过程，它是逻辑产品的开 发，是人的智力的高度发挥。人尽管是最聪明的，但也是最容易犯错误的。软件 中的许多错误都是由于人的认识、知识、经验不足，或开发过程中的疏忽或交流 不够而造成的。而这种错误又由于受到测试条件的限制而没有被发现。这可能是 软件危机难以解除的根本原因。 由于人类第一次同与硬件不同性质的智力产品软件打交道，因而缺少经验。 计算机的历史总共才5 5 年，而软件的历史更短。又由于人的惰性的影响，人类 多有不愿改变现状的倾向。尽管软件进步了，但软件人员中的许多人常常反对改 变，行动时又拒绝改变，这是另一个原因。 计算机的硬件5 0 多年来有了极大的发展，但必须看到，硬件的内存程序方 式( 即冯诺依曼体系结构) 却没有改变，即它对所有问题的计算都由二进制的 加法运算来解决。因此，所有的应用仍然都依赖于软件问题的解决。由此可以看 出，软件的职责非常重要。 软件发展中遇到的这些问题一直存在，人们也一直在努力解决这些问题，让 软件产业爆发出自己的活力，真正解决软件“危机”。近年来，软件工程领域 取得了许多新进展，如基于u m l 的统一的软件开发过程，是软件生存期模型发 海洋环境准实时卫星监测信息系统及应用研究 展迄今为止的里程碑，它集中了所有生存期模型的优点；i s o i e c1 2 2 0 7 和 i s o i e ct r1 5 5 0 4 是保证软件质量的两个全新的国际标准，在国外软件企业中 已经开始应用等。 2 、u m l 语言的发展 o o 建模语言的发展始于2 0 世纪7 0 年代中和8 0 年代末。从1 9 8 9 年到1 9 9 4 年，其数量由不到1 0 种猛增加到5 0 余种。但使用0 0 方法的用户却很难找到 一种完全满意的语言。9 0 年代中期，出现了一批较好的方法。其中令人关注的 有b o o c h1 9 9 3 ( 适用于工业设计和构造) ；r u m b a u g h 的o m t - 2 ( 特别适用于 以数据为中心的信息系统的分析和描述中的应用) ；j a c o b s o n 的o o s e ，即 u s e - c a s e 方法( 支持商业工程和需求分析) 。它们都是完整的方法，并各有其特 色。 。 u m l 开始于1 9 9 4 年1 0 月。先由r a t i o n a ls o f t w a r e 公司的g b o o c h 和 j r u m b a u g h 将b o o c h 和o m t ( 这两种方法被公认为是世界o o 方法的先驱) 统一起来，并于1 9 9 5 年1 0 月推出了u m ( u n i f i e dm e t h o d ) 草案0 8 版；1 9 9 5 年秋，j a c o b s o n 参加，把o o s e 也合并进来，这才称为u